La computación cuántica representa un punto de inflexión en la evolución tecnológica y promete cambiar radicalmente la forma en que procesamos datos complejos. Sin embargo, persiste una barrera importante: la necesidad de enfriar los qubits a temperaturas extremadamente bajas, cercanas al cero absoluto. Un equipo de investigadores puede haber encontrado una solución a este problema técnico con un nuevo tipo de refrigerador cuántico.
Las computadoras cuánticas requieren una refrigeración extrema para realizar cálculos fiables. Los qubits, sus elementos fundamentales, deben mantenerse a temperaturas cercanas al cero absoluto para evitar errores de cálculo. Esta necesidad de refrigeración intensa fue un gran obstáculo para la integración de estas máquinas en la sociedad. Investigadores de la Universidad Tecnológica de Chalmers en Suecia y la Universidad de Maryland en Estados Unidos han diseñado un refrigerador innovador capaz de enfriar de forma autónoma qubits superconductores a temperaturas récord.
Las ventajas de las computadoras cuánticas
Las computadoras cuánticas tienen un inmenso potencial para transformar diversos sectores como la medicina, la energía, el cifrado, la inteligencia artificial y la logística. A diferencia de los bits de los ordenadores clásicos que registran 0 o 1, los qubits pueden representar ambos valores simultáneamente gracias a la superposición. Esta característica permite a las computadoras cuánticas realizar cálculos en paralelo, aumentando exponencialmente su potencia de procesamiento. Sin embargo, el tiempo que una computadora cuántica puede realizar cálculos está limitado por el tiempo que lleva corregir errores.
« Los qubits, componentes de la computadora cuántica, son extremadamente sensibles a su entorno. Incluso una interferencia electromagnética muy débil puede cambiar aleatoriamente el valor del qubit, provocando errores y dificultando el cálculo cuántico. “, explicó Aamir Ali, especialista en investigación en tecnología cuántica de la Universidad Tecnológica de Chalmers.
Refrigeración a temperaturas récord
Actualmente, muchas computadoras cuánticas utilizan circuitos eléctricos superconductores para minimizar la resistencia y retener información. Para funcionar sin errores durante períodos prolongados de tiempo, los qubits deben enfriarse a aproximadamente -273,15 grados Celsius, o cero Kelvin, la temperatura más baja teóricamente posible. Los sistemas de refrigeración actuales, llamados refrigeradores de dilución, llevan los qubits a unos 50 mikelvin por encima del cero absoluto. Sin embargo, según las leyes de la termodinámica, alcanzar el cero absoluto es imposible mediante un proceso finito.
Los investigadores han desarrollado un nuevo tipo de refrigerador cuántico que complementa los refrigeradores de dilución y permite enfriar qubits superconductores a temperaturas aún más bajas, 22 mikelvin, de forma autónoma.
« El refrigerador cuántico se basa en circuitos superconductores y funciona con el calor del medio ambiente. Puede enfriar el qubit objetivo a 22 mikelvin, sin control externo. Esto allana el camino para cálculos cuánticos más fiables y menos propensos a errores. “, añadió Aamir Ali, autor principal del estudio.
Cómo funciona el refrigerador cuántico
El frigorífico aprovecha la interacción entre diferentes qubits, en particular entre el qubit que se va a enfriar y otros dos qubits utilizados para enfriar. Se crea un ambiente cálido junto a uno de los qubits, que sirve como baño termal caliente. Este baño termal transfiere energía a uno de los qubits del refrigerador cuántico, activando así el sistema de refrigeración.
« La energía del entorno térmico, canalizada a través de uno de los qubits del refrigerador cuántico, extrae calor del qubit objetivo al segundo qubit del refrigerador, que está frío. Este qubit final luego se enfría en un ambiente frío, donde el calor del qubit objetivo finalmente se disipa. “, dijo Nicole Yunger Halpern, física del NIST y profesora asistente en la Universidad de Maryland.
El sistema funciona de forma autónoma, sin necesidad de control externo, alimentado por la diferencia de temperatura entre dos baños termales.
« Nuestro trabajo es probablemente la primera demostración de una máquina térmica cuántica autónoma que realiza una tarea útil. Inicialmente diseñada como prueba de concepto, nos sorprendió gratamente el rendimiento de la máquina, que supera todos los protocolos de reinicio existentes para enfriar el qubit a temperaturas récord. “, concluyó Simone Gasparinetti, profesora asociada de la Universidad Tecnológica de Chalmers y coautora principal del estudio.
Leyenda de la ilustración: El nuevo refrigerador cuántico (el objeto cuadrado en el centro del qubit en la imagen) se basa en circuitos superconductores y se alimenta del calor del medio ambiente. Puede enfriar qubits de forma autónoma a temperaturas extremadamente bajas, allanando el camino para computadoras cuánticas más confiables. El dispositivo fue fabricado en el laboratorio de nanofabricación Myfab de la Universidad Tecnológica de Chalmers, Suecia. Crédito: Universidad Tecnológica de Chalmers | Lovisa Håkansson
Artículo : ‘Un refrigerador cuántico accionado térmicamente restablece de forma autónoma un qubit superconductor’ / ( 10.1038/s41567-024-02708-5 ) – Universidad Tecnológica de Chalmers – Publicación en la revista Nature Physics
